كم من هذه الأسئلة الـ 31 تعرفها عن الكاميرات الصناعية؟

بعض مهندسي الرؤية الآلية غالبا ما يعتقدون أن الكاميرات الصناعية مع واجهات USB سوف تسبب فقدان الإطار.فقدان إطار الكاميرا الصناعية ليس له علاقة بواجهة الإرسال المستخدمة من قبل الكاميرا الصناعية، سواء كان ذلك USB، 1394، GigE، أو CameraLink. السائقين المصممة بشكل سيء أو أجهزة الكاميرا الصناعية هي السبب الحقيقي لفقدان الإطار:السبب في أن الكاميرات الصناعية المصممة بشكل سيء تعاني من فقدان الإطار هو في الواقع لأن قناة البيانات محجوبة ولا يمكن معالجتها في الوقت المناسبلذلك، عندما تأتي صورة جديدة، قد يجبر على التخلص من الصورة السابقة، أو قد يجبر على التخلص من الصورة الجديدة. لحل هذه المشكلة،يجب على المصممين تنفيذ تصميم دقيق لكل رابط لنقل البيانات بين السائق وأجهزة الكاميرا الصناعية.

في تكنولوجيا فحص الرؤية الآلية ، تشمل واجهات المدخلات والمخرجات للكاميرات الصناعية Camera Link و IEEE 1394 و USB2.0، إيثيرنت، وUSB3.0;

الخطوة الأولى هي اختيار العدسة المناسبة. يجب أن يتبع اختيار العدسة المبادئ التالية:

1. ما هو حجم الشريحة من الكاميرا المطابقة؟
2. ما نوع الواجهة التي تمتلكها الكاميرا؟ واجهة C، واجهة CS أو واجهات أخرى؛
3. مسافة عمل العدسة.
4. مجال رؤية العدسة
5. الخصائص الطيفية للعدسة
6. معدل تشويه العدسة
7. أبعاد هيكل العدسة الميكانيكية.

عند اختيار كاميرا CCD ، يجب أن تأخذ في الاعتبار الجوانب التالية:

1. نوع رقاقة حساسة للضوء؛ CCD أو CMOS
2. خصائص الفيديو؛ بما في ذلك تردد النقر وتردد الخط.
3. واجهة إخراج الإشارة.
4. أنماط عمل الكاميرا: مستمرة، مفعل، التحكم، إعادة ضبط غير متزامن، التكامل لفترة طويلة
5. أساليب ضبط ومراقبة معايير الفيديو: دليل، RS232.

في نفس الوقت، عند اختيار جهاز CCD، يجب أن تولي اهتماما ل 1 بوصة = 16mm بدلا من 25.4mm.

1عملية التصوير

مبدأ التحويل الكهروضوئي لأجهزة استشعار الصور CCD و CMOS هو نفسه. الفرق الرئيسي بينهما هو عملية قراءة الإشارة المختلفة.بما أن CCD لديها عقدة خروجي واحدة فقط (أو عدد قليل) للقراءة الموحدةفي شريحة CMOS ، كل بكسل لديه مكبر إشارة خاص به ، والذي يؤدي تحويل الشحنة إلى الجهد ،و استمرارية إصدار الإشارة ضعيفةومع ذلك ، من أجل قراءة إشارة الصورة بأكملها ، يتطلب CCD عرض نطاق واسع للإشارة من مكبر الإخراج. في رقاقة CMOS ،متطلبات عرض النطاق الترددي للمضخم في كل بكسل أقل، مما يقلل إلى حد كبير من استهلاك الطاقة للشريحة. هذا هو السبب الرئيسي في أن استهلاك الطاقة من رقائق CMOS أقل من CCD. على الرغم من أن استهلاك الطاقة ينخفض،عدم الاتساق بين الملايين من المضخات يؤدي إلى زيادة الضوضاء الثابتة، وهو عيب متأصل لـ CMOS مقارنة بـ CCD.

2الاندماج

من منظور عملية التصنيع ، يتم دمج الدوائر والأجهزة في CCD في الشركة المصنعة للمواد البلورية الواحدة للشاشات نصف الموصلة ، والعملية معقدة نسبيًا.هناك فقط عدد قليل من الشركات المصنعة في العالم التي يمكن أن تنتج رقائق CCD، مثل DALSA ، SONY ، Panasonic ، إلخ. يمكن لـ CCD إصدار إشارات كهربائية تناظرية فقط ، والتي تتطلب فك البيانات التالية ، ومحول تناظري ، ومعالجة إشارات الصورة.كما يحتاج إلى توفير ثلاث مجموعات من إمدادات الطاقة المزامنة مدارات التحكم الساعة مع مختلف الجهد، ومستوى الاندماج منخفض جدا. يتم دمج CMOS على مادة واحدة تسمى أكسيد المعدن.هذه العملية هي نفس العملية المستخدمة لإنتاج عشرات الآلاف من الدوائر المتكاملة أشباه الموصلات مثل رقائق الحاسوب وأجهزة التخزينوبالتالي، فإن تكلفة CMOS المجال الصوتي أقل بكثير من CCD. في نفس الوقت، يمكن لشركة CMOS دمج مكبر إشارة الصورة، دائرة قراءة الإشارة، دائرة تحويل A / D،معالج إشارة الصورة والتحكم في شريحة واحدة. شريحة واحدة فقط يمكن أن تحقق جميع الوظائف الأساسية للكاميرا. مستوى الاندماج مرتفع جدا. هذا هو المكان الذي جاءت منه فكرة كاميرات مستوى الشريحة.مع التطور المستمر لتكنولوجيا تصوير CMOS، المزيد والمزيد من الشركات يمكن أن توفر رقائق تصوير CMOS عالية الجودة، بما في ذلك: مايكرون، CMOSIS، سايبرس، الخ.

3السرعة

يستخدم CCD مخرجات حساسة للضوء واحدة تلو الأخرى ، ويمكن أن يخرج فقط وفقًا للبرنامج المحدد ، والسرعة بطيئة. يحتوي CMOS على العديد من محولات الشحن والجهد والتحكم في مفتاح العمود ،وسرعة القراءة أسرع بكثيرفي الوقت الحاضر ، معظم الكاميرات عالية السرعة فوق 500fps هي كاميرات CMOS. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أخذ عينات عشوائية من مفتاح CMOS العنوان لتحقيق إنتاج نافذة فرعية ،ويمكن تحقيق سرعة أعلى عندما يتم إخراج الصور الفرعية فقط.

4الضوضاء

تم تطوير تكنولوجيا CCD في وقت سابق وهي ناضجة نسبيًا. تستخدم صلة PN أو طبقة عزل ثاني أكسيد السيليكون (SiO2) لعزل الضوضاء.جودة التصوير لها بعض المزايا على أجهزة الاستشعار الضوئية CMOSبسبب مستوى التكامل العالي لأجهزة استشعار الصورة CMOS ، فإن المسافة بين المكونات والدوائر قريبة جدًا ، والتداخل خطير ،والضوضاء لها تأثير كبير على جودة الصورة.

في السنوات الأخيرة، مع التطور المستمر لتكنولوجيا الحد من ضوضاء دائرة CMOS، تم توفير ظروف جيدة لإنتاج أجهزة استشعار الصور CMOS عالية الكثافة وعالية الجودة.

• القرار
• السرعة (معدل الإطارات / معدل الخط)
• الضوضاء
• نسبة الإشارة إلى الضوضاء
• النطاق الديناميكي
• عمق البكسل
• الاستجابة الطيفية
• واجهة بصرية

الدقة هي المعلم الأساسي للكاميرا. يتم تحديدها بحجم الشريحة المستخدمة في الكاميرا. هو عدد البكسلات المرتبة على سطح الشريحة المستهدف.عادة ما يتم التعبير عن دقة كاميرا مسح المنطقة من خلال رقمين: الدقة الأفقية والعمودية ، مثل: 1920 (H) x 1080 (V). الرقم الأول يشير إلى عدد البكسلات في كل سطر ، أي أن هناك 1920 بكسلًا في المجموع ،والرقم التالي يشير إلى عدد الصفوف من البكسلات، أي 1080 صفوف. في الوقت الحاضر، عادة ما تشير دقة الكاميرا إلى عدد K، مثل 1K (1024) ، 2K (2048) ، 3K (4096) ، الخ. عند الحصول على الصور،دقة الكاميرا لها تأثير كبير على جودة الصورةعند تصوير نفس مجال الرؤية الكبير (مدى المشهد) ، كلما زاد الدقة ، كلما ظهرت التفاصيل بشكل أكثر وضوحًا.

معدل الإطار / تردد الخط للكاميرا يشير إلى التردد الذي تقوم به الكاميرا بجمع الصور. عادةً ما يتم التعبير عن كاميرات المصفوفة بالمنطقة بمعدل الإطار ، والوحدة هي fps (إطار في الثانية).مثلاً، 30 إطار في الثانية تعني أن الكاميرا يمكن أن تجمع ما يصل إلى 30 إطار من الصور في 1 ثانية. عادة ما تستخدم كاميرات صفوف الخط تردد الخط في وحدات كيه هرتز. على سبيل المثال،12 كيلو هرتز يعني أن الكاميرا يمكن أن تجمع ما يصل إلى 12يستخدم الكاميرا لتحديد السرعة. في التطبيقات العملية ، غالباً ما يكون من الضروري تصوير الأشياء المتحركة.سرعة الكاميرا تحتاج إلى تلبية متطلبات معينة من أجل تصوير الأشياء بوضوح ودقةيتأثر معدل الإطار ومعدل الخط من الكاميرا أولاً بمعدل الإطار ومعدل الخط من الرقاقة.يتم تحديد سرعة التصميم القصوى للشريحة أساسا من قبل أعلى ساعة أن الشريحة يمكن أن تتحمل.

يشير ضجيج الكاميرات الصناعية إلى الإشارات التي لا يتوقع جمعها أثناء عملية التصوير وهي خارج الهدف الفعلي للتصوير.وفقًا لمعيار اختبار الكاميرا الأوروبي EMVA1288، يمكن تقسيم الضوضاء في الكاميرا بشكل عام إلى فئتين: الأولى هي ضوضاء التقلب الإحصائي الناجمة عن الإشارة الفعالة التي تتوافق مع توزيع بويسون،يسمى أيضاً ضوضاء الرصاصهذا النوع من الضوضاء هو نفسه لأي كاميرا، لا مفر منه، ولديه صيغة حساب معينة. (أي: مربع الضوضاء = متوسط الإشارة).النوع الثاني هو الضوضاء المتأصلة المستقلة للإشارة من الكاميرا نفسها. هو الضوضاء الناجمة عن دائرة قراءة مستشعر الصورة ، ومعالجة إشارات الكاميرا ودوائر تضخيم ، وما إلى ذلك. الضوضاء المتأصلة لكل كاميرا مختلفة. بالإضافة إلى ذلك ، بالنسبة للكاميرات الرقمية,الضوضاء الكمية ستولد عند التحويل التناظري لإشارات الفيديو. كلما زاد عدد البتات الكمية، كلما انخفض الضوضاء.

يتم تعريف نسبة الإشارة إلى الضوضاء للكاميرا على أنها نسبة الإشارة إلى الضوضاء في الصورة (النسبة بين متوسط قيمة الرمادي للإشارة الفعالة إلى الجذر التربيعي المتوسط للضوضاء) ،الذي يمثل نوعية الصورةكلما ارتفعت نسبة الإشارة إلى الضوضاء في الصورة ، كلما كانت جودة الصورة أفضل.

المدى الديناميكي للكاميرا يشير إلى النطاق الذي تكتشف فيه الكاميرا إشارات الضوء. يمكن تعريف النطاق الديناميكي بطريقتين. الأول هو النطاق الديناميكي البصري ،والذي يشير إلى نسبة أقصى كثافة ضوئية عند الشبع إلى كثافة الضوء المكافئة للضوضاء الصادرة، والتي يتم تحديدها من خلال خصائص الرقاقة. والآخر هو النطاق الديناميكي الإلكتروني، والذي يشير إلى النسبة بين فولتاج التشبع وجهد الضوضاء.نطاقها الديناميكي هو قيمة ثابتة ولا تتغير مع تغير الظروف الخارجيةمن حيث الاستجابة الخطية ، يتم تعريف النطاق الديناميكي للكامرة على أنها نسبة تعرض التشبع للتعرض المعادل للضوضاء:النطاق الديناميكي = كامل قدرة البئر للعنصر الحساس للضوء / إشارة ضوضاء معادلة. يمكن التعبير عن النطاق الديناميكي في مضاعفات ، dB أو Bit. مع نطاق ديناميكي كبير ، فإن الكاميرا لديها قدرة أقوى على التكيف مع كثافة الضوء المختلفة.

الإشارة الرقمية التي تخرجها الكاميرا الرقمية، أي قيمة الرمادي للبيكسل، لديها عدد خاص من البيتات، تسمى عمق البيكسل. بالنسبة للكاميرات البيضاء والسوداء، فإن نطاق القيمة عادة ما يكون 8-16 بت.عمق البكسل يحدد عدد مستويات الرمادي من الداكن إلى الساطععلى سبيل المثال، بالنسبة لكاميرا 8 بت، يمثل 0 الظلام الكامل و 255 يمثل الوضوح الكامل. الرقم بين 0 و 5 يمثل بعض مؤشرات الوضوح.بيانات 10 بت لديها 1024 مستوى رمادي و بيانات 12 بت لديها 4096 مستوى رمادي. لكل تطبيق ندرس بعناية ما إذا كانت مستويات رمادية دقيقة للغاية مطلوبة. التحديث من 8 بت إلى 10 بت أو 12 بت يمكن أن يعزز بالفعل دقة القياس،ولكنه يقلل أيضا من سرعة النظام ويزيد من صعوبة تكامل النظام (زيادة الكابلات وأحجام أكبر)لذا يجب أن نختار بعناية

تشير الواجهة إلى الواجهة بين الكاميرا والعدسة. تشمل واجهات العدسات المستخدمة عادةً C-mount و CS-mount و F-mount.

• التصنيف حسب بنية الشريحة: كاميرا CCD وكاميرا CMOS
• وفقًا لهيكل جهاز الاستشعار: كاميرا المساحة المسحوبة وكاميرا المسح الحديدية
• التصنيف حسب وضع الخروج: الكاميرا التناظرية والكاميرا الرقمية
• كاميرا ملونة وكاميرا سوداء وبيضاء

• وقت إغلاق الكاميرات الصناعية قصير بشكل خاص ويمكنها التقاط الأشياء السريعة الحركة بوضوح، في حين أن الكاميرات العادية ضبابية للغاية عند التقاط الأشياء السريعة الحركة.
• أجهزة استشعار الصورة في الكاميرا الصناعية هي المسح التدريجي، في حين أن أجهزة استشعار الصورة في الكاميرا العادية متداخلة، أو حتى يتم مسحها كل ثلاثة خطوط.
• سرعة تصوير الكاميرات الصناعية أعلى بكثير من الكاميرات العادية؛ الكاميرات الصناعية يمكن أن تأخذ عشرة إلى مئات الصور في الثانية،بينما الكاميرات العادية يمكنها أن تأخذ 2-3 صور فقط;
• الكاميرات الصناعية تصدر بيانات عارية، ومدى طيفها غالبا ما يكون واسع نسبيا،والتي هي أكثر ملاءمة لخوارزميات معالجة الصور عالية الجودة وتستخدم عادة في أنظمة الرؤية الآليةأما بالنسبة للصور التي التقطتها الكاميرات العادية، فإن نطاقها الطيفي مناسب فقط للرؤية البشرية، وقد تم ضغطها بواسطة MPEG، لذلك فإن جودة الصورة ضعيفة أيضًا؛

1. حساب الدقة: قسم العرض على الحد الأدنى من دقة الكشف للحصول على البكسلات المطلوبة لكل خط.
2. دقة الكشف: يتم الحصول على دقة الكشف الفعلية عن طريق تقسيم العرض بالبيكسلات.
3. عدد خطوط المسح: قسم طول سرعة الحركة في الثانية الواحدة بالدقة للحصول على عدد خطوط المسح في الثانية الواحدة.

أمثلة لاختيار كاميرا مجموعة الخط على أساس نتائج الحسابات المذكورة أعلاه هي كما يلي:

على سبيل المثال ، إذا كان العرض 1600 مم ، فإن الدقة هي 1 مم ، وسرعة الحركة هي 22000 مم / ثانية ، الكاميرا: 1600 / 1 = 1600 بكسل هو 2000 بكسل على الأقل ، ويتم تحديد الكاميرا على أنها 2k. 1600 / 2048 = 0.8. الدقة الفعلية هي 22000mm/0.8mm=27.5KHz. يجب تحديد الكاميرا على أنها كاميرا 2048 بكسل 28kHz.

• أجهزة استشعار المسح الخطية المستخدمة من قبل كاميرات مجموعة خطوط عادة ما يكون لها صف واحد فقط من الوحدات الحساسة للضوء (بعض أجهزة استشعار مجموعة خطوط الألوان تستخدم ثلاثة صفوف من الوحدات الحساسة للضوء)
• كاميرا المسح الحديدي لا تجمع سوى سطر واحد من الصور في كل مرة
• كاميرا المسح الحديدي لا تصدر سوى سطر واحد من الصور في كل مرة.
• بالمقارنة مع الكاميرات التقليدية، فإن مسح المجموعة الجغرافية يجمع عدة خطوط من الصور في كل مرة ويخرجها في إطارات.

• كاميرات المسح الحديدية لديها دقة أعلى؛ كل صف من البكسلات في كاميرا المسح الحديدية عادة ما يكون 1024, 2048, 4096, 8012؛ في حين أن كاميرا المسح العام هي فقط 640, 768, 1280,ومجموعات مساحة أكبر من 2048 نادرة.
• سرعة الاستحواذ من كاميرات مجموعة الخط أسرع؛ سرعة الاستحواذ من نماذج مختلفة من كاميرات مجموعة الخط تتراوح من 5000 خط في الثانية إلى 60،000 خط في الثانية.يمكن للمستخدمين اختيار بضعة خطوط أو كل عشرة خطوط لتشكيل إطار من الصورة للمعالجة، لذا يمكن تحقيق معدل إطار عال جدا.
• يمكن للكاميرات المرتبطة بالخط أن تقوم باستمرار بجمع ومعالجة دون انقطاع؛ يمكن للكاميرات المرتبطة بالخط أن تقوم باستمرار بجمع الكائنات المتحركة بشكل خطي (المرشدات الخطية، الورق على الأدوات، الأقمشة،المطبوعات، الأشياء على الشرائط الناقلة، الخ).
• كاميرات المسح الخطية لها هيكل أبسط وأكثر معقولية. بالمقارنة مع كاميرات المسح الجغرافي ، لا تضيع كاميرات المسح الخطية الدقة وتجمع البيانات غير المفيدة.

الكاميرا الصناعية الذكية ليست كاميرا بسيطة، ولكن نظام رؤية آلة صغيرة متكاملة للغاية. إنها تدمج وظائف اكتساب الصور ومعالجتها والاتصالات في كاميرا واحدة،وبالتالي توفير متعدد الوظائفأجهزة تصوير صناعية ذكية تتكون عادة من وحدات اكتساب الصور، وحدات معالجة الصور،برامج معالجة الصور، أجهزة الاتصال بالشبكة، الخ. بسبب تطبيق أحدث تكنولوجيا DSP و FPGA وتكنولوجيا التخزين ذات السعة الكبيرة،مستوى ذكائها يستمر في الارتفاع ويمكنه تلبية مجموعة متنوعة من احتياجات تطبيقات الرؤية الآلية.

النوعان الرئيسيان من رقائق الاستشعار الكهروضوئي المستخدمة في الرؤية الآلية هما رقائق CCD ورقائق CMOS.CCD هو اختصار لـ ChargeCoupled Device و CMOS هو Complementary Metal-Oxide-Semiconductor T